JP3673887B2 - リニア振動アクチュエータおよびリニアコンプレッサ - Google Patents
リニア振動アクチュエータおよびリニアコンプレッサ Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はリニア振動アクチュエータに関し、さらに詳細にいえば、磁石による推進力およびリラクタンス推進力を利用する新規なリニア振動アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からリニア振動アクチュエータとして、磁石可動型のもの、コイル可動型のもの、および鉄心可動型のものが提供されている。
図１６は磁石可動型のリニア振動アクチュエータの構成を示す概略図である。このアクチュエータは、所定位置にコイルを巻回してなる固定子鉄心によりギャップを形成し、このギャップ内に位置する永久磁石を設けている。
【０００３】
したがって、コイルに供給する電流の大きさ、極性を制御することにより、永久磁石を所望方向に移動させることができる。すなわち、コイル電流により発生する磁束と永久磁石による磁束とによる吸引力、反発力によって永久磁石を所望方向に移動させることができる。
図１７はコイル可動型のリニア振動アクチュエータの構成を示す概略図である。
【０００４】
このアクチュエータは、固定子鉄心の所定位置に永久磁石を介在させるとともに、固定子鉄心の所定位置にギャップを形成し、このギャップ内に位置するコイルを設けるとともに、このコイルに電流を供給している。
したがって、コイルに供給する電流の大きさ、極性を制御することにより、コイルを所望方向に移動させることができる。すなわち、コイル電流により発生する磁束と永久磁石による磁束とによる吸引力、反発力によってコイルを所望方向に移動させることができる。
【０００５】
図１８は鉄心可動型のリニア振動アクチュエータの構成を示す概略図である。このアクチュエータは、所定位置にコイルを巻回してなる固定子鉄心によりギャップを形成し、このギャップ内に位置する可動鉄心を設け、可動鉄心を所定方向に付勢するばね部材を設けている。
したがって、コイルに供給する電流の大きさを制御することにより、可動鉄心をばね手段による付勢方向と逆の方向に移動させることができる。すなわち、コイル電流により発生する磁束によって可動鉄心を吸引し、可動鉄心をばね手段による付勢方向と逆の方向に移動させることができる。もちろん、コイルに対する電流の供給を停止することにより、可動鉄心をばね手段による付勢方向に移動させることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記各種のリニア振動アクチュエータの効率は、磁石可動型のリニア振動アクチュエータ、コイル可動型のリニア振動アクチュエータ、鉄心可動型のリニア振動アクチュエータの順に高効率であるが、最も効率が高い磁石可動型のリニア振動アクチュエータにおいても効率が６０〜８０％程度であり、より一層の効率の向上が要望されている。
【０００７】
さらに詳細に説明する。
鉄心可動型のリニア振動アクチュエータは、永久磁石を用いないので低コストを実現することができるが、可動鉄心の往復運動を実現するためにばね部材（機械的な反発力）が必要であり、このばね部材に起因して損失が増加してしまうので、効率がかなり低くなってしまう。
【０００８】
コイル可動型のリニア振動アクチュエータは、可動部がコイルであり、慣性力を小さくできるので、高速動作を実現できるが、可動部であるコイルに給電しなければならないので構成が複雑になるという不都合がある。また、ギャップがかなり広くなるので、磁石利用率が悪くなり、ひいてはコストアップを招くとともに、効率の低下を招いてしまうという不都合がある。なお、共振用スプリングが設けられている。
【０００９】
磁石可動型のリニア振動アクチュエータは、可動部に給電する必要がないので構成を簡単化することができるとともに、ギャップを比較的狭くできるので、コイル可動型のリニア振動アクチュエータと比較して効率を高くすることができるが、永久磁石の減磁対策が必要になるのでコストアップを招いてしまうという不都合がある。なお、共振用スプリングが設けられている。
【００１０】
回転形モータの入力電力Ｐｉに対する出力と損失との関係は図１９に示すとおりであり、ωを回転角速度とすれば、効率はω・ｔ／Ｐｉとなる。また、直線運動を行うリニア形モータの入力電力Ｐｉに対する出力と損失との関係は図２０に示すとおりであり、ｖを速度、Ｆを力とすれば、効率はｖ・Ｆ／Ｐｉとなる。したがって、両者の効率特性はほぼ等しい。これらに対して、往復運動を行うリニア形モータの入力電力Ｐｉに対する出力と損失との関係は図２１に示すとおりであり、ｖを速度、Ｆを力、ｆを往復運動の周波数とすれば、効率は数１となる。
【００１１】
【数１】
【００１２】
磁石可動型のリニア振動アクチュエータは往復運動を行うリニア形モータに該当するので、直線運動を行うリニア形モータと比較して効率が低くなってしまう。また、このリニア振動アクチュエータによる推進力は、図１６に示すように、変位の中間位置において最大になり、両端位置においてゼロになり、これらの間においてなめらかに変化している。なお、図１６は、コイルへの供給電流が正弦波であり、変位は一定する（変位に拘らず供給電流により推進力が定まる）、と仮定して推進力を計算した結果を示している。
【００１３】
また、磁石可動型のリニア振動アクチュエータは、図１７に具体的構成を示すように、コイルを含む固定子鉄心に対して所定間隔を存してバックヨークを設け、固定子鉄心とバックヨークとの間に永久磁石を設ける構成を採用している。
【００１４】
【発明の目的】
この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、高効率であり、かつ新規なリニア振動アクチュエータを提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１のリニア振動アクチュエータは、コイルを含む固定子鉄心と、固定子鉄心に対して所定の間隔を存して軸方向に往復動可能な永久磁石と、永久磁石と一体的に設けられた可動鉄心とを含み、永久磁石と可動鉄心とは永久磁石が固定子鉄心側に位置するように一体化されており、可動鉄心は、鉄心内部の磁束が一様になることを阻止するための非磁性体を所定位置に含んでいるものである。
【００１６】
請求項２のリニア振動アクチュエータは、可動鉄心として、所定位置に凹所を有しているとともに、凹所に存在する空気が非磁性体として機能するものを採用している。
請求項３のリニア振動アクチュエータは、コイルに供給する電流の位相を、アクチュエータにより駆動される被駆動体が要求する駆動力−変位量特性に適合する駆動力を発生させるべく、可動鉄心内の非磁性体の位置に応じて、Ｆ＝Φａ×Ｉａ＋（Ｌｍａｘ−Ｌｍｉｎ）／２×Ｉａ２×ｓｉｎ｛（ｘ×π）／（２Ｌ）＋θ１｝（ただし、Φａは永久磁石（３）の鎖交磁束、Ｉａはコイル電流、Ｌｍａｘはインダクタンスの最大値、Ｌｍｉｎはインダクタンスの最小値、Ｌはインダクタンスが最小の位置とインダクタンスが最大の位置との距離、ｘは変位、θｌは電流位相とインダクタンスが最大の位置との位相差）により算出されるトータル推進力とトータル推進力のピークの発生位置を制御する制御手段をさらに含むものである。
【００１７】
請求項４のリニアコンプレッサは、駆動源として請求項１から請求項３の何れかのリニア振動アクチュエータを採用するものである。
【００１８】
【作用】
請求項１のリニア振動アクチュエータであれば、コイルを含む固定子鉄心と、固定子鉄心に対して所定の間隔を存して軸方向に往復動可能な永久磁石と、永久磁石と一体的に設けられた可動鉄心とを含み、永久磁石と可動鉄心とは永久磁石が固定子鉄心側に位置するように一体化されており、可動鉄心は、鉄心内部の磁束が一様になることを阻止するための非磁性体を所定位置に含んでいるのであるから、コイル電流により発生する磁束と永久磁石による磁束とによる推進力だけでなく、リラクタンス推進力を使うことができ、電流を増加させることなくピーク推進力を大きくできるので、効率を高くすることができる。また、可動鉄心が永久磁石を補強することになるので、堅牢な構成を実現できる。さらに、バックヨークが不要になるので、設計上、構造的に自由度を高めることができ、例えば、従来のリニア振動アクチュエータにおいてバックヨークが存在していた箇所に他の機構を設けることが可能になる。さらにまた、往復動の終端部で負の推進力を作用させることができ、共振用スプリングを用いることなく同等の作用を達成することができる。また、可動鉄心における非磁性体の位置によって最大推進力が発生する位置が定まるので、最大推進力が発生する位置を任意に設定することができる。
【００１９】
請求項２のリニア振動アクチュエータであれば、可動鉄心として、所定位置に凹所を有しているとともに、凹所に存在する空気が非磁性体として機能するものを採用しているので、請求項１の作用に加え、非磁性体として特別の部材を採用する場合と比較して構成を簡素化できる。
請求項３のリニア振動アクチュエータであれば、コイルに供給する電流の位相を、アクチュエータにより駆動される被駆動体が要求する駆動力−変位量特性に適合する駆動力を発生させるべく、可動鉄心内の非磁性体の位置に応じて、Ｆ＝Φａ×Ｉａ＋（Ｌｍａｘ−Ｌｍｉｎ）／２×Ｉａ２×ｓｉｎ｛（ｘ×π）／（２Ｌ）＋θ１｝（ただし、Φａは永久磁石（３）の鎖交磁束、Ｉａはコイル電流、Ｌｍａｘはインダクタンスの最大値、Ｌｍｉｎはインダクタンスの最小値、Ｌはインダクタンスが最小の位置とインダクタンスが最大の位置との距離、ｘは変位、θｌは電流位相とインダクタンスが最大の位置との位相差）により算出されるトータル推進力とトータル推進力のピークの発生位置を制御する制御手段をさらに含むのであるから、請求項１または請求項２の作用に加え、可動鉄心における非磁性体の位置によって設定された最大推進力が発生する位置を電流の位相により変化させることができる。
【００２０】
請求項４のリニアコンプレッサであれば、駆動源として請求項１から請求項３の何れかのリニア振動アクチュエータを採用するのであるから、効率を高めることができ、また、堅牢な構成を実現できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照してこの発明のリニア振動アクチュエータの実施の態様を詳細に説明する。
図１はこの発明のリニア振動アクチュエータの一実施態様を示す概略縦断面図である。
【００２２】
このリニア振動アクチュエータは、コイル１を含む筒状の固定子鉄心２と、固定子鉄心２の内部空間に往復動可能に設けられた永久磁石３と、永久磁石３と一体的に設けられた可動鉄心４とを有している。そして、永久磁石３と可動鉄心４とは、永久磁石３が固定子鉄心２側に位置するように一体化されている。また、可動鉄心４は、所定位置（永久磁石３から離れた面の所定位置）に、軸心を中心とするリング状の非磁性体５を有し、この非磁性体５によって、可動鉄心４中の磁束の一様性を阻害している。
【００２３】
なお、非磁性体５としては、可動鉄心４の所定位置に形成されたリング状の溝４ａに収容された固体状の非磁性体であってもよいが、可動鉄心４の所定位置に形成されたリング状の溝４ａに収容された空気であってもよい。そして、後者の構成を採用すれば、固体状の非磁性体をリング状の溝４ａに収容するような作業が全く不要であり、単にリング状の溝４ａを形成するだけでよいから、製造作業を簡単化できるとともに、構成を簡素化できる。
【００２４】
図２から図４を参照して、上記の構成のリニア振動アクチュエータの作用を説明する。
コイル電流により発生する磁束と永久磁石による磁束とによる推進力（磁石推進力）は、コイル電流が一定であると仮定すれば、可動鉄心４の位置に拘らず永久磁石３からの磁束が一定になるので、常に一定である（図２参照）。
【００２５】
また、可動鉄心４は上述のように所定位置に非磁性体５を有することにより内部磁束が一様にならないようにしているので、可動鉄心４の位置に依存してコイル１のインダクタンスが変化し、リアクタンス推進力が発生する。具体的には、図３に示すように、コイル１が一方の非磁性体５とほぼ正対する状態においてインダクタンスが最小となり、図４に示すように、コイル１が可動鉄心４における両非磁性体５どうしの中央部とほぼ正対する状態においてインダクタンスが最大になる。そして、インダクタンスが最小の位置とインダクタンスが最大の位置との間において可動鉄心４が往復動し、しかも、インダクタンスが最小の位置とインダクタンスが最大の位置とにおいて推進力がゼロになる。
【００２６】
したがって、トータル推進力Ｆは数２で表すことができる。
【００２７】
【数２】
【００２８】
ここで、Φａは永久磁石３の鎖交磁束、Ｉａはコイル電流を、Ｌｍａｘはインダクタンスの最大値を、Ｌｍｉｎはインダクタンスの最小値を、Ｌはインダクタンスが最小の位置とインダクタンスが最大の位置との距離を、ｘは変位を、θｌは電流位相とインダクタンスが最大の位置との位相差を、それぞれ表している。
数２において、θｌは０〜πまでの値をとり、図５中（Ａ）（Ｂ）に示すように変位ｘがゼロ（可動鉄心が原点位置）を基準において、θｌが０のときはインダクタンス値が最小になるように可動鉄心４内の非磁性体５の位置が設定されている。また、θｌがπのときはインダクタンス値が最大になるように可動鉄心４内の非磁性体５の位置が設定されている。
【００２９】
θｌ＝０の場合には、コイル電流が正弦波状に変化すると仮定し、コイル電流位相を０度から１８０度未満に設定することにより、変位の中心より前部で推進力を増加させることができる。
図６はコイル電流位相を３０度に設定した場合の磁石推進力｛図６中（Ａ）参照｝、リラクタンス推進力｛図６中（Ｂ）参照｝、およびトータル推進力｛図６中（Ｃ）参照｝を示し、図７はコイル電流位相を６０度に設定した場合の磁石推進力｛図７中（Ａ）参照｝、リラクタンス推進力｛図７中（Ｂ）参照｝、およびトータル推進力｛図７中（Ｃ）参照｝を示している。図６および図７から明らかなように、コイル電流位相を大きく設定することにより、トータル推進力のピークをより前側に設定することができる。
【００３０】
θｌ＝πの場合には、コイル電流が正弦波状に変化すると仮定し、コイル電流位相を０度から−１８０度未満に設定することにより、変位の中心より後部で推進力を増加させることができる。
図８はコイル電流位相を−３０度に設定した場合の磁石推進力｛図８中（Ａ）参照｝、リラクタンス推進力｛図８中（Ｂ）参照｝、およびトータル推進力｛図８中（Ｃ）参照｝を示し、図９はコイル電流位相を−６０度に設定した場合の磁石推進力｛図９中（Ａ）参照｝、リラクタンス推進力｛図９中（Ｂ）参照｝、およびトータル推進力｛図９中（Ｃ）参照｝を示している。図８および図９から明らかなように、コイル電流位相を小さく設定することにより、トータル推進力のピークをより後側に設定することができる。
【００３１】
図１０はリニア振動アクチュエータを制御するための装置の構成の一例を示すブロック図である。
この制御装置は、直流電源１１（例えば、交流入力をダイオードで整流して直流出力を得るもの）からの直流出力をインバータ１２（例えば、トランジスタなどのスイッチング素子を用い、後述するＰＷＭ制御部１６から出力される信号に基いてスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを行って直流電力を交流電力に変換するもの）に供給し、インバータ１２からのスイッチング出力電流を上記の構成のリニア振動アクチュエータ１３のコイル１に供給している。また、振動周波数指令が供給される減算部１４からの出力（振動周波数偏差）をＰＩ制御部（比例制御および積分制御を行う制御部）１５（例えば、周波数指令と実周波数との偏差に基いて、比例ゲインと積分ゲインとにより演算を行って電圧振幅指令値を出力するもの）に供給し、ＰＩ制御部１５からの出力（電流振幅指令値）をＰＷＭ制御部（パルス幅変調制御部）１６に供給し、ＰＷＭ制御部１６からのＰＷＭ出力を電圧指令としてインバータ１２に供給している。さらに、インバータ１２からリニア振動アクチュエータ１３に供給されるスイッチング出力電流をカレントトランス１７により検出し、電流検出部１８に供給することにより電流検出信号を出力する。さらにまた、リニア振動アクチュエータ１３の可動鉄心４の位置を位置検出部１９により検出し、位置検出信号を周波数演算部２０に供給して実際の振動周波数を算出し、この周波数を位相制御部２１に供給するとともに、前記減算部１４に供給する。前記位相制御部２１には、電流検出部１８からの電流検出信号も供給されており、電流検出信号と周波数とから電流位相指令値を得てＰＷＭ制御部１６に供給する。前記ＰＷＭ制御部１６には、電流検出部１８からの電流検出信号および位置検出部１９からの位置検出信号も供給されており、ＰＩ制御部１５からの出力、位相制御信号、位置検出信号および電流検出信号から電圧指令としてのＰＷＭ出力を得てインバータ１２に供給する。
【００３２】
前記ＰＷＭ制御部１６は、ＰＩ制御部１５により求められた電圧振幅指令をリニア振動アクチュエータ１３に供給するため、インバータ１２により直流電圧をチョッピングするためのチョッピング信号を出力して、インバータ１２の出力を調整するものである。具体的には、電圧指令によりチョッピング時間を演算し、１周期当たりのＯＮ時間を求めて出力することで、インバータ１２からの出力電圧を制御することができる。すなわち、１周期当たりのＯＮ時間が０の場合には出力電圧は０となり、１周期の全てがＯＮの場合には直流電源１１からの電圧がそのまま出力電圧となる。また、電流検出結果を用いて電流制御を行うことで、応答性の早いリニア振動アクチュエータ制御を行うことができる。具体的には、速度偏差を電流指令とし、実電流との偏差に基くＰＩ演算等を行って求めた値を電圧指令としてインバータ１２に供給する。応答性が余り必要でなく、かつ簡単な構成を採用することが必要である場合には、この電流制御を省略した制御構成（図１２参照）を選択すればよい。
【００３３】
前記位相制御部２１は、例えば、図６から図９に示すような推進力発生パターンを得るための電圧位相指令値を得るものであり、何れの推進力発生パターンを得るかは、リニア振動アクチュエータによる駆動対象の推進力要求パターンに基づいて予め設定される。さらに詳細に説明すると、位相制御部２１は、位置検出部１９により検出される移動子（可動鉄心）の位置に応じてインバータに与える電圧位相を制御するものである。具体的には、移動子の位置を検出した後、数２で示す演算を行って電流位相を算出する。すなわち、数２において未知数である移動子の位置が分かれば、電流位相による推進力を演算することができる。なお、周波数による位相補正を行うことで、高周波数による振動も実現することができる。この電流位相をＰＷＭ制御部１６に供給することで、ＰＷＭ制御部１６で電流振幅、位相を制御することが可能になる。なお、電流検出部が省略されている図１２の構成を採用する場合には、電流位相の代わりに、電圧指令に対応する電圧位相をＰＷＭ制御部１６に供給する必要がある。したがって、例えば、前もって電圧指令に対応する電圧位相を測定しておき、テーブル関数として位相制御部２１の中に持っておけばよい。
【００３４】
図１１はリニア振動アクチュエータを制御するための処理の一例を説明するフローチャートである。
ステップＳＰ１において、リニア振動アクチュエータ１３のコイル１への供給電流を検出し、ステップＳＰ２において、リニア振動アクチュエータ１３の可動鉄心４の位置を検出し、ステップＳＰ３において、可動鉄心４の位置から実際の振動周波数を演算し（例えば、可動鉄心４の原点位置を検出してから次の原点位置を検出するまでの所要時間から実際の振動周波数を演算し）、ステップＳＰ４において、振動周波数指令値から演算された振動周波数を減算し、さらにＰＩ制御を行って電流振幅指令値を演算し、ステップＳＰ５において、演算された周波数から位相角を演算し、電流位相指令値とし、ステップＳＰ６において、電流振幅指令値と検出された電流検出信号から電圧指令値を演算し、ステップＳＰ７において、インバータ１２に電圧指令を供給してリニア振動アクチュエータ１３を駆動し、再びステップＳＰ１の処理を行う。
【００３５】
図１０の構成および図１１の処理を採用した場合には、リニア振動アクチュエータ１３のコイル１への供給電流を検出して電圧指令値を得、可動鉄心４の位置を検出して振動周波数を演算し、この振動周波数から電流振幅指令値および電流位相指令値を得、これらに基づいてインバータ１２を制御することにより、リニア振動アクチュエータ１３を動作させることができる。そして、リニア振動アクチュエータ１３の動作周波数を振動周波数指令値に適合させることができる。換言すれば、位置検出部１９と位相制御部２１とを有しているので、リニア振動アクチュエータ１３の２つの推進力（磁石推進力とリラクタンス推進力）を制御することが可能になり、コイル１への供給電流を増加させることなく、ピーク推進力を大きくすることができ、ひいては、効率を著しく高めることができる。また、電流位相を制御することにより、ピーク推進力の発生位置を変化させることができる。
【００３６】
また、以下の図１２、図１３の構成、処理と比較して、直接電流波形を制御できるので、より正確な推進力を得ることが可能になる。
図１２はリニア振動アクチュエータを制御するための装置の構成の他の例を示すブロック図である。
この制御装置が図１０の制御装置と異なる点は、カレントトランス１７および電流検出部１８を省略した点のみである。
【００３７】
したがって、これらを省略することにより推進力の制御精度が多少低下するが、構成を簡単化することができる。また、ＰＩ制御部１５により電圧振幅指令値を演算し、位相制御部２１により電圧位相指令値を演算することにより、電流検出値を用いることなく、インバータ１２を制御し、リニア振動アクチュエータ１３を動作させることができるようにしている。
【００３８】
図１３はリニア振動アクチュエータを制御するための処理の他の例を説明するフローチャートである。
ステップＳＰ１において、リニア振動アクチュエータ１３の可動鉄心４の位置を検出し、ステップＳＰ２において、可動鉄心４の位置から実際の振動周波数を演算し（例えば、可動鉄心４の原点位置を検出してから次の原点位置を検出するまでの所要時間から実際の振動周波数を演算し）、ステップＳＰ３において、振動周波数指令値から演算された振動周波数を減算し、さらにＰＩ制御を行って電圧振幅指令値を演算し、ステップＳＰ４において、演算された振動周波数から位相角を演算し、電圧位相指令値とし、ステップＳＰ５において、インバータ１２に電圧指令を供給してリニア振動アクチュエータ１３を駆動し、再びステップＳＰ１の処理を行う。
【００３９】
図１２の構成および図１３の処理を採用した場合には、可動鉄心４の位置を検出して周波数を演算し、この周波数から電圧振幅指令値および電圧位相指令値を得、これらに基づいてインバータ１２を制御することにより、リニア振動アクチュエータ１３を動作させることができる。そして、リニア振動アクチュエータ１３の動作周波数を振動周波数指令値に適合させることができる。換言すれば、位置検出部１９と位相制御部２１とを有しているので、リニア振動アクチュエータ１３の２つの推進力（磁石推進力とリラクタンス推進力）を制御することが可能になり、コイル１への供給電流を増加させることなく、ピーク推進力を大きくすることができ、ひいては、効率を著しく高めることができる。また、電流位相を制御することにより、ピーク推進力の発生位置を変化させることができる。
【００４０】
なお、図１０、図１２の制御装置において、ＰＩ制御部１５に代えて、Ｐ（比例）制御部、ＰＩＤ（比例・積分・微分）制御部を採用することが可能である。図１４は図１の構成のリニア振動アクチュエータが組み込まれたリニアコンプレッサの構成を示す縦断面図である。
このリニアコンプレッサは、筒状のケーシング３１の長手方向の両端部所定位置に吐出管３２を接続しているとともに、長手方向の中央部に吸入管３３を接続している。そして、吸入管接続部を中心として、１対のリニア振動アクチュエータ１３を互いに逆向きに設けている。なお、各リニア振動アクチュエータ１３は、可動鉄心４の一方の端部に対して連結板部材３９ａを介してアーム部材３９が一体的に設けられたものである。また、各リニア振動アクチュエータ１３よりも吐出管３２側の所定位置にシリンダ部材３４とピストン部材３５とを設けている。そして、シリンダ部材３４の吐出管３２側を塞ぐ閉塞板部材３６を設けるとともに、閉塞板部材３６の中央部に吐出穴３６ａを形成し、この吐出穴３６ａを開閉する吐出弁部材３７を設けて、シリンダ部材３４、ピストン部材３５および閉塞板部材３６で形成される空間を圧縮室３８としている。前記ピストン部材３５は、前記アーム部材３９の先端部に一体的に連結されたものである。このピストン部材３５は、中空のピストンケーシング３５ａと、ピストンケーシング３５ａの内部において往復動可能な可動体３５ｂと、可動体３５ｂと一体的に設けられたバルブ部材３５ｃと、ピストンケーシング３５ａの内部空間と圧縮室３８とを連通するとともに、バルブ部材３５ｃにより閉塞される連通穴３５ｄと、ピストンケーシング３５ａの側部所定位置に設けられた被圧縮流体導入穴３５ｅと、ピストンケーシング３５ａの側部のうち、被圧縮流体導入穴３５ｅ形成位置よりも先端側に設けられてシリンダ部材３４との間の気密を保持するシール部材３５ｆとを有している。また、可動体３５ｂは、被圧縮流体導入穴３５ｅを通して導入される被圧縮流体をスムーズに連通穴３５ｄに導くように、その先端部が先細のテーパ状に形成されている。さらに、連通穴３５ｄは、ピストンケーシング３５ａの内部から外部に向かって拡がるテーパ穴であり、バルブ部材３５ｃは、前記連通穴３５ｄと係合可能な外形を有している。さらに、前記シリンダ部材３４は、リニア振動アクチュエータ１３収容空間と被圧縮流体導入穴３５ｅの近傍位置との間を連通する連通路３４ａを有している。なお、前記吐出弁部材３７は図示しない駆動源により駆動されて吐出穴３６ａを開閉するものであり、リニア振動アクチュエータ１３の動作と同期して動作する。また、３０は共振バネである。さらに、リニア振動アクチュエータ１３は、例えば、図８または図９に示すトータル推進力特性を示すように制御される。
【００４１】
上記の構成のリニアコンプレッサの作用は次のとおりである。
なお、以下の説明において、吸入管３３側を後側と、吐出管３２側を前側と称する。
吐出弁部材３７により吐出穴３６ａを閉塞し、リニア振動アクチュエータ１３を動作させることにより可動鉄心４を後退させれば、圧縮室３８の容積が増加し、圧縮室３８内の圧力とピストンケーシング３５ａ内の圧力差によりバルブ部材３５ｃが動作して連通穴３５ｄを開放させるので、吸入管３３から、リニア振動アクチュエータ１３の固定子鉄心２と可動鉄心４との間隙、連通路３４ａ、被圧縮流体導入穴３５ｅ、ピストンケーシング３５ａの内部、連通穴３５ｄをこの順に通って被圧縮流体が圧縮室３８に吸入される。
【００４２】
次いで、吐出弁部材３７により吐出穴３６ａを閉塞したままで、リニア振動アクチュエータ１３を動作させることにより可動鉄心４を前進させれば、圧縮室３８内部の圧力が増加するので、先ず、連通穴３５ｄがバルブ部材３５ｃにより閉塞され、圧縮室３８が密閉空間になる。その後、リニア振動アクチュエータ１３を動作させることにより可動鉄心４を前進させ続ければ、ピストン部材３５が前進し続けて圧縮室３８の容積を著しく減少させることにより被圧縮流体を圧縮することができる。
【００４３】
以上の一連の動作において、リニア振動アクチュエータ１３の推進力は、被圧縮流体を圧縮するほど大きくする必要があるが、図８または図９に示す推進力特性を示すようにリニア振動アクチュエータ１３が制御されているので、被圧縮流体の圧縮に必要な推進力を得ることができる。
被圧縮流体を十分に圧縮した後（可動鉄心４がほぼ限界位置まで前進した後）は、吐出弁部材３７を動作させて吐出穴３６ａを開放することにより、圧縮された被圧縮流体を、圧縮室３８から吐出穴３６ａおよび吐出管３２を通して吐出することができる。
【００４４】
その後は、上記の一連の動作を反復することにより、被圧縮流体の吸入、圧縮、吐出を反復することができる。なお、共振バネ３０は可動鉄心４の移動に伴って伸縮する。
上記の一連の動作を行う場合の圧縮機荷重−変位特性は図１５に示すとおりである。この圧縮機荷重−変位特性から明らかなように、変位の後部に大きな荷重がかかる。したがって、リニア振動アクチュエータ１３の非磁性体５の位置をθｌ＝π／２〜πに設定し、かつ電流位相を０〜−１８０度において制御することにより、圧縮機荷重にマッチした推進力を得ることができ、高効率な運転を十減することができる（例えば、図８、図９参照）。
【００４５】
以上には、リニア振動アクチュエータをリニアコンプレッサに適用した場合について説明したが、リニアコンプレッサ以外の負荷に適用することが可能であり（他の構造のコンプレッサに適用しても問題は発生しない）、この場合には、負荷の荷重−変位特性にマッチした推進力を得るように非磁性体５の位置を設定するとともに、電流位相を制御すればよい。
【００４６】
【発明の効果】
請求項１の発明は、コイル電流により発生する磁束と永久磁石による磁束とによる推進力だけでなく、リラクタンス推進力を使うことができ、電流を増加させることなくピーク推進力を大きくできるので、効率を高くすることができ、また、可動鉄心が永久磁石を補強することになるので、堅牢な構成を実現でき、さらに、バックヨークが不要になるので、設計上、構造的に自由度を高めることができ、例えば、従来のリニア振動アクチュエータにおいてバックヨークが存在していた箇所に他の機構を設けることが可能になり、さらにまた、往復運動の終端部で負の推進力を作用させることができ、共振用スプリングを用いることなく同等の作用を達成することができ、また、可動鉄心における非磁性体の位置によって最大推進力が発生する位置が定まるので、最大推進力が発生する位置を任意に設定することができるという特有の効果を奏する。
【００４７】
請求項２の発明は、請求項１の効果に加え、非磁性体として特別の部材を採用する場合と比較して構成を簡素化できるという特有の効果を奏する。
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の効果に加え、可動鉄心における非磁性体の位置によって設定された最大推進力が発生する位置を電流の位相により変化させることができるという特有の効果を奏する。
【００４８】
請求項４の発明は、リニアコンプレッサの効率を高めることができ、また、堅牢な構成を実現できるという特有の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のリニア振動アクチュエータの一実施態様を示す概略縦断面図である。
【図２】リニア振動アクチュエータにおける磁石推進力の発生を説明する概略図である。
【図３】リニア振動アクチュエータにおけるリラクタンス推進力の発生を説明する概略図である。
【図４】リニア振動アクチュエータにおけるリラクタンス推進力の発生を説明する概略図である。
【図５】可動鉄心内の非磁性体の位置を説明する概略図である。
【図６】θｌ＝０、コイル電流位相を３０度に設定した場合の磁石推進力、リラクタンス推進力、およびトータル推進力を示す図である。
【図７】θｌ＝０、コイル電流位相を６０度に設定した場合の磁石推進力、リラクタンス推進力、およびトータル推進力を示す図である。
【図８】θｌ＝π、コイル電流位相を−３０度に設定した場合の磁石推進力、リラクタンス推進力、およびトータル推進力を示す図である。
【図９】θｌ＝π、コイル電流位相を−６０度に設定した場合の磁石推進力、リラクタンス推進力、およびトータル推進力を示す図である。
【図１０】リニア振動アクチュエータを制御するための装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図１１】リニア振動アクチュエータを制御するための処理の一例を説明するフローチャートである。
【図１２】リニア振動アクチュエータを制御するための装置の構成の他の例を示すブロック図である。
【図１３】リニア振動アクチュエータを制御するための処理の他の例を説明するフローチャートである。
【図１４】図１の構成のリニア振動アクチュエータが組み込まれたリニアコンプレッサの構成を示す縦断面図である。
【図１５】図１４のリニアコンプレッサの圧縮機荷重−変位特性を示す図である。
【図１６】磁石可動型のリニア振動アクチュエータの構成を示す概略図である。
【図１７】コイル可動型のリニア振動アクチュエータの構成を示す概略図である。
【図１８】鉄心可動型のリニア振動アクチュエータの構成を示す概略図である。
【図１９】回転形モータの入力電力に対する出力と損失との関係を示す図である。
【図２０】直線運動を行うリニア形モータの入力電力に対する出力と損失との関係を示す図である。
【図２１】往復運動を行うリニア形モータの入力電力に対する出力と損失との関係を示す図である。
【符号の説明】
１ コイル ２ 固定子鉄心
３ 永久磁石 ４ 可動鉄心
４ａ 溝 ５ 非磁性体
１３ リニア振動アクチュエータ ２１ 位相制御部
【発明の属する技術分野】
この発明はリニア振動アクチュエータに関し、さらに詳細にいえば、磁石による推進力およびリラクタンス推進力を利用する新規なリニア振動アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からリニア振動アクチュエータとして、磁石可動型のもの、コイル可動型のもの、および鉄心可動型のものが提供されている。
図１６は磁石可動型のリニア振動アクチュエータの構成を示す概略図である。このアクチュエータは、所定位置にコイルを巻回してなる固定子鉄心によりギャップを形成し、このギャップ内に位置する永久磁石を設けている。
【０００３】
したがって、コイルに供給する電流の大きさ、極性を制御することにより、永久磁石を所望方向に移動させることができる。すなわち、コイル電流により発生する磁束と永久磁石による磁束とによる吸引力、反発力によって永久磁石を所望方向に移動させることができる。
図１７はコイル可動型のリニア振動アクチュエータの構成を示す概略図である。
【０００４】
このアクチュエータは、固定子鉄心の所定位置に永久磁石を介在させるとともに、固定子鉄心の所定位置にギャップを形成し、このギャップ内に位置するコイルを設けるとともに、このコイルに電流を供給している。
したがって、コイルに供給する電流の大きさ、極性を制御することにより、コイルを所望方向に移動させることができる。すなわち、コイル電流により発生する磁束と永久磁石による磁束とによる吸引力、反発力によってコイルを所望方向に移動させることができる。
【０００５】
図１８は鉄心可動型のリニア振動アクチュエータの構成を示す概略図である。このアクチュエータは、所定位置にコイルを巻回してなる固定子鉄心によりギャップを形成し、このギャップ内に位置する可動鉄心を設け、可動鉄心を所定方向に付勢するばね部材を設けている。
したがって、コイルに供給する電流の大きさを制御することにより、可動鉄心をばね手段による付勢方向と逆の方向に移動させることができる。すなわち、コイル電流により発生する磁束によって可動鉄心を吸引し、可動鉄心をばね手段による付勢方向と逆の方向に移動させることができる。もちろん、コイルに対する電流の供給を停止することにより、可動鉄心をばね手段による付勢方向に移動させることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記各種のリニア振動アクチュエータの効率は、磁石可動型のリニア振動アクチュエータ、コイル可動型のリニア振動アクチュエータ、鉄心可動型のリニア振動アクチュエータの順に高効率であるが、最も効率が高い磁石可動型のリニア振動アクチュエータにおいても効率が６０〜８０％程度であり、より一層の効率の向上が要望されている。
【０００７】
さらに詳細に説明する。
鉄心可動型のリニア振動アクチュエータは、永久磁石を用いないので低コストを実現することができるが、可動鉄心の往復運動を実現するためにばね部材（機械的な反発力）が必要であり、このばね部材に起因して損失が増加してしまうので、効率がかなり低くなってしまう。
【０００８】
コイル可動型のリニア振動アクチュエータは、可動部がコイルであり、慣性力を小さくできるので、高速動作を実現できるが、可動部であるコイルに給電しなければならないので構成が複雑になるという不都合がある。また、ギャップがかなり広くなるので、磁石利用率が悪くなり、ひいてはコストアップを招くとともに、効率の低下を招いてしまうという不都合がある。なお、共振用スプリングが設けられている。
【０００９】
磁石可動型のリニア振動アクチュエータは、可動部に給電する必要がないので構成を簡単化することができるとともに、ギャップを比較的狭くできるので、コイル可動型のリニア振動アクチュエータと比較して効率を高くすることができるが、永久磁石の減磁対策が必要になるのでコストアップを招いてしまうという不都合がある。なお、共振用スプリングが設けられている。
【００１０】
回転形モータの入力電力Ｐｉに対する出力と損失との関係は図１９に示すとおりであり、ωを回転角速度とすれば、効率はω・ｔ／Ｐｉとなる。また、直線運動を行うリニア形モータの入力電力Ｐｉに対する出力と損失との関係は図２０に示すとおりであり、ｖを速度、Ｆを力とすれば、効率はｖ・Ｆ／Ｐｉとなる。したがって、両者の効率特性はほぼ等しい。これらに対して、往復運動を行うリニア形モータの入力電力Ｐｉに対する出力と損失との関係は図２１に示すとおりであり、ｖを速度、Ｆを力、ｆを往復運動の周波数とすれば、効率は数１となる。
【００１１】
【数１】
磁石可動型のリニア振動アクチュエータは往復運動を行うリニア形モータに該当するので、直線運動を行うリニア形モータと比較して効率が低くなってしまう。また、このリニア振動アクチュエータによる推進力は、図１６に示すように、変位の中間位置において最大になり、両端位置においてゼロになり、これらの間においてなめらかに変化している。なお、図１６は、コイルへの供給電流が正弦波であり、変位は一定する（変位に拘らず供給電流により推進力が定まる）、と仮定して推進力を計算した結果を示している。
【００１３】
また、磁石可動型のリニア振動アクチュエータは、図１７に具体的構成を示すように、コイルを含む固定子鉄心に対して所定間隔を存してバックヨークを設け、固定子鉄心とバックヨークとの間に永久磁石を設ける構成を採用している。
【００１４】
【発明の目的】
この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、高効率であり、かつ新規なリニア振動アクチュエータを提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１のリニア振動アクチュエータは、コイルを含む固定子鉄心と、固定子鉄心に対して所定の間隔を存して軸方向に往復動可能な永久磁石と、永久磁石と一体的に設けられた可動鉄心とを含み、永久磁石と可動鉄心とは永久磁石が固定子鉄心側に位置するように一体化されており、可動鉄心は、鉄心内部の磁束が一様になることを阻止するための非磁性体を所定位置に含んでいるものである。
【００１６】
請求項２のリニア振動アクチュエータは、可動鉄心として、所定位置に凹所を有しているとともに、凹所に存在する空気が非磁性体として機能するものを採用している。
請求項３のリニア振動アクチュエータは、コイルに供給する電流の位相を、アクチュエータにより駆動される被駆動体が要求する駆動力−変位量特性に適合する駆動力を発生させるべく、可動鉄心内の非磁性体の位置に応じて、Ｆ＝Φａ×Ｉａ＋（Ｌｍａｘ−Ｌｍｉｎ）／２×Ｉａ２×ｓｉｎ｛（ｘ×π）／（２Ｌ）＋θ１｝（ただし、Φａは永久磁石（３）の鎖交磁束、Ｉａはコイル電流、Ｌｍａｘはインダクタンスの最大値、Ｌｍｉｎはインダクタンスの最小値、Ｌはインダクタンスが最小の位置とインダクタンスが最大の位置との距離、ｘは変位、θｌは電流位相とインダクタンスが最大の位置との位相差）により算出されるトータル推進力とトータル推進力のピークの発生位置を制御する制御手段をさらに含むものである。
【００１７】
請求項４のリニアコンプレッサは、駆動源として請求項１から請求項３の何れかのリニア振動アクチュエータを採用するものである。
【００１８】
【作用】
請求項１のリニア振動アクチュエータであれば、コイルを含む固定子鉄心と、固定子鉄心に対して所定の間隔を存して軸方向に往復動可能な永久磁石と、永久磁石と一体的に設けられた可動鉄心とを含み、永久磁石と可動鉄心とは永久磁石が固定子鉄心側に位置するように一体化されており、可動鉄心は、鉄心内部の磁束が一様になることを阻止するための非磁性体を所定位置に含んでいるのであるから、コイル電流により発生する磁束と永久磁石による磁束とによる推進力だけでなく、リラクタンス推進力を使うことができ、電流を増加させることなくピーク推進力を大きくできるので、効率を高くすることができる。また、可動鉄心が永久磁石を補強することになるので、堅牢な構成を実現できる。さらに、バックヨークが不要になるので、設計上、構造的に自由度を高めることができ、例えば、従来のリニア振動アクチュエータにおいてバックヨークが存在していた箇所に他の機構を設けることが可能になる。さらにまた、往復動の終端部で負の推進力を作用させることができ、共振用スプリングを用いることなく同等の作用を達成することができる。また、可動鉄心における非磁性体の位置によって最大推進力が発生する位置が定まるので、最大推進力が発生する位置を任意に設定することができる。
【００１９】
請求項２のリニア振動アクチュエータであれば、可動鉄心として、所定位置に凹所を有しているとともに、凹所に存在する空気が非磁性体として機能するものを採用しているので、請求項１の作用に加え、非磁性体として特別の部材を採用する場合と比較して構成を簡素化できる。
請求項３のリニア振動アクチュエータであれば、コイルに供給する電流の位相を、アクチュエータにより駆動される被駆動体が要求する駆動力−変位量特性に適合する駆動力を発生させるべく、可動鉄心内の非磁性体の位置に応じて、Ｆ＝Φａ×Ｉａ＋（Ｌｍａｘ−Ｌｍｉｎ）／２×Ｉａ２×ｓｉｎ｛（ｘ×π）／（２Ｌ）＋θ１｝（ただし、Φａは永久磁石（３）の鎖交磁束、Ｉａはコイル電流、Ｌｍａｘはインダクタンスの最大値、Ｌｍｉｎはインダクタンスの最小値、Ｌはインダクタンスが最小の位置とインダクタンスが最大の位置との距離、ｘは変位、θｌは電流位相とインダクタンスが最大の位置との位相差）により算出されるトータル推進力とトータル推進力のピークの発生位置を制御する制御手段をさらに含むのであるから、請求項１または請求項２の作用に加え、可動鉄心における非磁性体の位置によって設定された最大推進力が発生する位置を電流の位相により変化させることができる。
【００２０】
請求項４のリニアコンプレッサであれば、駆動源として請求項１から請求項３の何れかのリニア振動アクチュエータを採用するのであるから、効率を高めることができ、また、堅牢な構成を実現できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照してこの発明のリニア振動アクチュエータの実施の態様を詳細に説明する。
図１はこの発明のリニア振動アクチュエータの一実施態様を示す概略縦断面図である。
【００２２】
このリニア振動アクチュエータは、コイル１を含む筒状の固定子鉄心２と、固定子鉄心２の内部空間に往復動可能に設けられた永久磁石３と、永久磁石３と一体的に設けられた可動鉄心４とを有している。そして、永久磁石３と可動鉄心４とは、永久磁石３が固定子鉄心２側に位置するように一体化されている。また、可動鉄心４は、所定位置（永久磁石３から離れた面の所定位置）に、軸心を中心とするリング状の非磁性体５を有し、この非磁性体５によって、可動鉄心４中の磁束の一様性を阻害している。
【００２３】
なお、非磁性体５としては、可動鉄心４の所定位置に形成されたリング状の溝４ａに収容された固体状の非磁性体であってもよいが、可動鉄心４の所定位置に形成されたリング状の溝４ａに収容された空気であってもよい。そして、後者の構成を採用すれば、固体状の非磁性体をリング状の溝４ａに収容するような作業が全く不要であり、単にリング状の溝４ａを形成するだけでよいから、製造作業を簡単化できるとともに、構成を簡素化できる。
【００２４】
図２から図４を参照して、上記の構成のリニア振動アクチュエータの作用を説明する。
コイル電流により発生する磁束と永久磁石による磁束とによる推進力（磁石推進力）は、コイル電流が一定であると仮定すれば、可動鉄心４の位置に拘らず永久磁石３からの磁束が一定になるので、常に一定である（図２参照）。
【００２５】
また、可動鉄心４は上述のように所定位置に非磁性体５を有することにより内部磁束が一様にならないようにしているので、可動鉄心４の位置に依存してコイル１のインダクタンスが変化し、リアクタンス推進力が発生する。具体的には、図３に示すように、コイル１が一方の非磁性体５とほぼ正対する状態においてインダクタンスが最小となり、図４に示すように、コイル１が可動鉄心４における両非磁性体５どうしの中央部とほぼ正対する状態においてインダクタンスが最大になる。そして、インダクタンスが最小の位置とインダクタンスが最大の位置との間において可動鉄心４が往復動し、しかも、インダクタンスが最小の位置とインダクタンスが最大の位置とにおいて推進力がゼロになる。
【００２６】
したがって、トータル推進力Ｆは数２で表すことができる。
【００２７】
【数２】
ここで、Φａは永久磁石３の鎖交磁束、Ｉａはコイル電流を、Ｌｍａｘはインダクタンスの最大値を、Ｌｍｉｎはインダクタンスの最小値を、Ｌはインダクタンスが最小の位置とインダクタンスが最大の位置との距離を、ｘは変位を、θｌは電流位相とインダクタンスが最大の位置との位相差を、それぞれ表している。
数２において、θｌは０〜πまでの値をとり、図５中（Ａ）（Ｂ）に示すように変位ｘがゼロ（可動鉄心が原点位置）を基準において、θｌが０のときはインダクタンス値が最小になるように可動鉄心４内の非磁性体５の位置が設定されている。また、θｌがπのときはインダクタンス値が最大になるように可動鉄心４内の非磁性体５の位置が設定されている。
【００２９】
θｌ＝０の場合には、コイル電流が正弦波状に変化すると仮定し、コイル電流位相を０度から１８０度未満に設定することにより、変位の中心より前部で推進力を増加させることができる。
図６はコイル電流位相を３０度に設定した場合の磁石推進力｛図６中（Ａ）参照｝、リラクタンス推進力｛図６中（Ｂ）参照｝、およびトータル推進力｛図６中（Ｃ）参照｝を示し、図７はコイル電流位相を６０度に設定した場合の磁石推進力｛図７中（Ａ）参照｝、リラクタンス推進力｛図７中（Ｂ）参照｝、およびトータル推進力｛図７中（Ｃ）参照｝を示している。図６および図７から明らかなように、コイル電流位相を大きく設定することにより、トータル推進力のピークをより前側に設定することができる。
【００３０】
θｌ＝πの場合には、コイル電流が正弦波状に変化すると仮定し、コイル電流位相を０度から−１８０度未満に設定することにより、変位の中心より後部で推進力を増加させることができる。
図８はコイル電流位相を−３０度に設定した場合の磁石推進力｛図８中（Ａ）参照｝、リラクタンス推進力｛図８中（Ｂ）参照｝、およびトータル推進力｛図８中（Ｃ）参照｝を示し、図９はコイル電流位相を−６０度に設定した場合の磁石推進力｛図９中（Ａ）参照｝、リラクタンス推進力｛図９中（Ｂ）参照｝、およびトータル推進力｛図９中（Ｃ）参照｝を示している。図８および図９から明らかなように、コイル電流位相を小さく設定することにより、トータル推進力のピークをより後側に設定することができる。
【００３１】
図１０はリニア振動アクチュエータを制御するための装置の構成の一例を示すブロック図である。
この制御装置は、直流電源１１（例えば、交流入力をダイオードで整流して直流出力を得るもの）からの直流出力をインバータ１２（例えば、トランジスタなどのスイッチング素子を用い、後述するＰＷＭ制御部１６から出力される信号に基いてスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを行って直流電力を交流電力に変換するもの）に供給し、インバータ１２からのスイッチング出力電流を上記の構成のリニア振動アクチュエータ１３のコイル１に供給している。また、振動周波数指令が供給される減算部１４からの出力（振動周波数偏差）をＰＩ制御部（比例制御および積分制御を行う制御部）１５（例えば、周波数指令と実周波数との偏差に基いて、比例ゲインと積分ゲインとにより演算を行って電圧振幅指令値を出力するもの）に供給し、ＰＩ制御部１５からの出力（電流振幅指令値）をＰＷＭ制御部（パルス幅変調制御部）１６に供給し、ＰＷＭ制御部１６からのＰＷＭ出力を電圧指令としてインバータ１２に供給している。さらに、インバータ１２からリニア振動アクチュエータ１３に供給されるスイッチング出力電流をカレントトランス１７により検出し、電流検出部１８に供給することにより電流検出信号を出力する。さらにまた、リニア振動アクチュエータ１３の可動鉄心４の位置を位置検出部１９により検出し、位置検出信号を周波数演算部２０に供給して実際の振動周波数を算出し、この周波数を位相制御部２１に供給するとともに、前記減算部１４に供給する。前記位相制御部２１には、電流検出部１８からの電流検出信号も供給されており、電流検出信号と周波数とから電流位相指令値を得てＰＷＭ制御部１６に供給する。前記ＰＷＭ制御部１６には、電流検出部１８からの電流検出信号および位置検出部１９からの位置検出信号も供給されており、ＰＩ制御部１５からの出力、位相制御信号、位置検出信号および電流検出信号から電圧指令としてのＰＷＭ出力を得てインバータ１２に供給する。
【００３２】
前記ＰＷＭ制御部１６は、ＰＩ制御部１５により求められた電圧振幅指令をリニア振動アクチュエータ１３に供給するため、インバータ１２により直流電圧をチョッピングするためのチョッピング信号を出力して、インバータ１２の出力を調整するものである。具体的には、電圧指令によりチョッピング時間を演算し、１周期当たりのＯＮ時間を求めて出力することで、インバータ１２からの出力電圧を制御することができる。すなわち、１周期当たりのＯＮ時間が０の場合には出力電圧は０となり、１周期の全てがＯＮの場合には直流電源１１からの電圧がそのまま出力電圧となる。また、電流検出結果を用いて電流制御を行うことで、応答性の早いリニア振動アクチュエータ制御を行うことができる。具体的には、速度偏差を電流指令とし、実電流との偏差に基くＰＩ演算等を行って求めた値を電圧指令としてインバータ１２に供給する。応答性が余り必要でなく、かつ簡単な構成を採用することが必要である場合には、この電流制御を省略した制御構成（図１２参照）を選択すればよい。
【００３３】
前記位相制御部２１は、例えば、図６から図９に示すような推進力発生パターンを得るための電圧位相指令値を得るものであり、何れの推進力発生パターンを得るかは、リニア振動アクチュエータによる駆動対象の推進力要求パターンに基づいて予め設定される。さらに詳細に説明すると、位相制御部２１は、位置検出部１９により検出される移動子（可動鉄心）の位置に応じてインバータに与える電圧位相を制御するものである。具体的には、移動子の位置を検出した後、数２で示す演算を行って電流位相を算出する。すなわち、数２において未知数である移動子の位置が分かれば、電流位相による推進力を演算することができる。なお、周波数による位相補正を行うことで、高周波数による振動も実現することができる。この電流位相をＰＷＭ制御部１６に供給することで、ＰＷＭ制御部１６で電流振幅、位相を制御することが可能になる。なお、電流検出部が省略されている図１２の構成を採用する場合には、電流位相の代わりに、電圧指令に対応する電圧位相をＰＷＭ制御部１６に供給する必要がある。したがって、例えば、前もって電圧指令に対応する電圧位相を測定しておき、テーブル関数として位相制御部２１の中に持っておけばよい。
【００３４】
図１１はリニア振動アクチュエータを制御するための処理の一例を説明するフローチャートである。
ステップＳＰ１において、リニア振動アクチュエータ１３のコイル１への供給電流を検出し、ステップＳＰ２において、リニア振動アクチュエータ１３の可動鉄心４の位置を検出し、ステップＳＰ３において、可動鉄心４の位置から実際の振動周波数を演算し（例えば、可動鉄心４の原点位置を検出してから次の原点位置を検出するまでの所要時間から実際の振動周波数を演算し）、ステップＳＰ４において、振動周波数指令値から演算された振動周波数を減算し、さらにＰＩ制御を行って電流振幅指令値を演算し、ステップＳＰ５において、演算された周波数から位相角を演算し、電流位相指令値とし、ステップＳＰ６において、電流振幅指令値と検出された電流検出信号から電圧指令値を演算し、ステップＳＰ７において、インバータ１２に電圧指令を供給してリニア振動アクチュエータ１３を駆動し、再びステップＳＰ１の処理を行う。
【００３５】
図１０の構成および図１１の処理を採用した場合には、リニア振動アクチュエータ１３のコイル１への供給電流を検出して電圧指令値を得、可動鉄心４の位置を検出して振動周波数を演算し、この振動周波数から電流振幅指令値および電流位相指令値を得、これらに基づいてインバータ１２を制御することにより、リニア振動アクチュエータ１３を動作させることができる。そして、リニア振動アクチュエータ１３の動作周波数を振動周波数指令値に適合させることができる。換言すれば、位置検出部１９と位相制御部２１とを有しているので、リニア振動アクチュエータ１３の２つの推進力（磁石推進力とリラクタンス推進力）を制御することが可能になり、コイル１への供給電流を増加させることなく、ピーク推進力を大きくすることができ、ひいては、効率を著しく高めることができる。また、電流位相を制御することにより、ピーク推進力の発生位置を変化させることができる。
【００３６】
また、以下の図１２、図１３の構成、処理と比較して、直接電流波形を制御できるので、より正確な推進力を得ることが可能になる。
図１２はリニア振動アクチュエータを制御するための装置の構成の他の例を示すブロック図である。
この制御装置が図１０の制御装置と異なる点は、カレントトランス１７および電流検出部１８を省略した点のみである。
【００３７】
したがって、これらを省略することにより推進力の制御精度が多少低下するが、構成を簡単化することができる。また、ＰＩ制御部１５により電圧振幅指令値を演算し、位相制御部２１により電圧位相指令値を演算することにより、電流検出値を用いることなく、インバータ１２を制御し、リニア振動アクチュエータ１３を動作させることができるようにしている。
【００３８】
図１３はリニア振動アクチュエータを制御するための処理の他の例を説明するフローチャートである。
ステップＳＰ１において、リニア振動アクチュエータ１３の可動鉄心４の位置を検出し、ステップＳＰ２において、可動鉄心４の位置から実際の振動周波数を演算し（例えば、可動鉄心４の原点位置を検出してから次の原点位置を検出するまでの所要時間から実際の振動周波数を演算し）、ステップＳＰ３において、振動周波数指令値から演算された振動周波数を減算し、さらにＰＩ制御を行って電圧振幅指令値を演算し、ステップＳＰ４において、演算された振動周波数から位相角を演算し、電圧位相指令値とし、ステップＳＰ５において、インバータ１２に電圧指令を供給してリニア振動アクチュエータ１３を駆動し、再びステップＳＰ１の処理を行う。
【００３９】
図１２の構成および図１３の処理を採用した場合には、可動鉄心４の位置を検出して周波数を演算し、この周波数から電圧振幅指令値および電圧位相指令値を得、これらに基づいてインバータ１２を制御することにより、リニア振動アクチュエータ１３を動作させることができる。そして、リニア振動アクチュエータ１３の動作周波数を振動周波数指令値に適合させることができる。換言すれば、位置検出部１９と位相制御部２１とを有しているので、リニア振動アクチュエータ１３の２つの推進力（磁石推進力とリラクタンス推進力）を制御することが可能になり、コイル１への供給電流を増加させることなく、ピーク推進力を大きくすることができ、ひいては、効率を著しく高めることができる。また、電流位相を制御することにより、ピーク推進力の発生位置を変化させることができる。
【００４０】
なお、図１０、図１２の制御装置において、ＰＩ制御部１５に代えて、Ｐ（比例）制御部、ＰＩＤ（比例・積分・微分）制御部を採用することが可能である。図１４は図１の構成のリニア振動アクチュエータが組み込まれたリニアコンプレッサの構成を示す縦断面図である。
このリニアコンプレッサは、筒状のケーシング３１の長手方向の両端部所定位置に吐出管３２を接続しているとともに、長手方向の中央部に吸入管３３を接続している。そして、吸入管接続部を中心として、１対のリニア振動アクチュエータ１３を互いに逆向きに設けている。なお、各リニア振動アクチュエータ１３は、可動鉄心４の一方の端部に対して連結板部材３９ａを介してアーム部材３９が一体的に設けられたものである。また、各リニア振動アクチュエータ１３よりも吐出管３２側の所定位置にシリンダ部材３４とピストン部材３５とを設けている。そして、シリンダ部材３４の吐出管３２側を塞ぐ閉塞板部材３６を設けるとともに、閉塞板部材３６の中央部に吐出穴３６ａを形成し、この吐出穴３６ａを開閉する吐出弁部材３７を設けて、シリンダ部材３４、ピストン部材３５および閉塞板部材３６で形成される空間を圧縮室３８としている。前記ピストン部材３５は、前記アーム部材３９の先端部に一体的に連結されたものである。このピストン部材３５は、中空のピストンケーシング３５ａと、ピストンケーシング３５ａの内部において往復動可能な可動体３５ｂと、可動体３５ｂと一体的に設けられたバルブ部材３５ｃと、ピストンケーシング３５ａの内部空間と圧縮室３８とを連通するとともに、バルブ部材３５ｃにより閉塞される連通穴３５ｄと、ピストンケーシング３５ａの側部所定位置に設けられた被圧縮流体導入穴３５ｅと、ピストンケーシング３５ａの側部のうち、被圧縮流体導入穴３５ｅ形成位置よりも先端側に設けられてシリンダ部材３４との間の気密を保持するシール部材３５ｆとを有している。また、可動体３５ｂは、被圧縮流体導入穴３５ｅを通して導入される被圧縮流体をスムーズに連通穴３５ｄに導くように、その先端部が先細のテーパ状に形成されている。さらに、連通穴３５ｄは、ピストンケーシング３５ａの内部から外部に向かって拡がるテーパ穴であり、バルブ部材３５ｃは、前記連通穴３５ｄと係合可能な外形を有している。さらに、前記シリンダ部材３４は、リニア振動アクチュエータ１３収容空間と被圧縮流体導入穴３５ｅの近傍位置との間を連通する連通路３４ａを有している。なお、前記吐出弁部材３７は図示しない駆動源により駆動されて吐出穴３６ａを開閉するものであり、リニア振動アクチュエータ１３の動作と同期して動作する。また、３０は共振バネである。さらに、リニア振動アクチュエータ１３は、例えば、図８または図９に示すトータル推進力特性を示すように制御される。
【００４１】
上記の構成のリニアコンプレッサの作用は次のとおりである。
なお、以下の説明において、吸入管３３側を後側と、吐出管３２側を前側と称する。
吐出弁部材３７により吐出穴３６ａを閉塞し、リニア振動アクチュエータ１３を動作させることにより可動鉄心４を後退させれば、圧縮室３８の容積が増加し、圧縮室３８内の圧力とピストンケーシング３５ａ内の圧力差によりバルブ部材３５ｃが動作して連通穴３５ｄを開放させるので、吸入管３３から、リニア振動アクチュエータ１３の固定子鉄心２と可動鉄心４との間隙、連通路３４ａ、被圧縮流体導入穴３５ｅ、ピストンケーシング３５ａの内部、連通穴３５ｄをこの順に通って被圧縮流体が圧縮室３８に吸入される。
【００４２】
次いで、吐出弁部材３７により吐出穴３６ａを閉塞したままで、リニア振動アクチュエータ１３を動作させることにより可動鉄心４を前進させれば、圧縮室３８内部の圧力が増加するので、先ず、連通穴３５ｄがバルブ部材３５ｃにより閉塞され、圧縮室３８が密閉空間になる。その後、リニア振動アクチュエータ１３を動作させることにより可動鉄心４を前進させ続ければ、ピストン部材３５が前進し続けて圧縮室３８の容積を著しく減少させることにより被圧縮流体を圧縮することができる。
【００４３】
以上の一連の動作において、リニア振動アクチュエータ１３の推進力は、被圧縮流体を圧縮するほど大きくする必要があるが、図８または図９に示す推進力特性を示すようにリニア振動アクチュエータ１３が制御されているので、被圧縮流体の圧縮に必要な推進力を得ることができる。
被圧縮流体を十分に圧縮した後（可動鉄心４がほぼ限界位置まで前進した後）は、吐出弁部材３７を動作させて吐出穴３６ａを開放することにより、圧縮された被圧縮流体を、圧縮室３８から吐出穴３６ａおよび吐出管３２を通して吐出することができる。
【００４４】
その後は、上記の一連の動作を反復することにより、被圧縮流体の吸入、圧縮、吐出を反復することができる。なお、共振バネ３０は可動鉄心４の移動に伴って伸縮する。
上記の一連の動作を行う場合の圧縮機荷重−変位特性は図１５に示すとおりである。この圧縮機荷重−変位特性から明らかなように、変位の後部に大きな荷重がかかる。したがって、リニア振動アクチュエータ１３の非磁性体５の位置をθｌ＝π／２〜πに設定し、かつ電流位相を０〜−１８０度において制御することにより、圧縮機荷重にマッチした推進力を得ることができ、高効率な運転を十減することができる（例えば、図８、図９参照）。
【００４５】
以上には、リニア振動アクチュエータをリニアコンプレッサに適用した場合について説明したが、リニアコンプレッサ以外の負荷に適用することが可能であり（他の構造のコンプレッサに適用しても問題は発生しない）、この場合には、負荷の荷重−変位特性にマッチした推進力を得るように非磁性体５の位置を設定するとともに、電流位相を制御すればよい。
【００４６】
【発明の効果】
請求項１の発明は、コイル電流により発生する磁束と永久磁石による磁束とによる推進力だけでなく、リラクタンス推進力を使うことができ、電流を増加させることなくピーク推進力を大きくできるので、効率を高くすることができ、また、可動鉄心が永久磁石を補強することになるので、堅牢な構成を実現でき、さらに、バックヨークが不要になるので、設計上、構造的に自由度を高めることができ、例えば、従来のリニア振動アクチュエータにおいてバックヨークが存在していた箇所に他の機構を設けることが可能になり、さらにまた、往復運動の終端部で負の推進力を作用させることができ、共振用スプリングを用いることなく同等の作用を達成することができ、また、可動鉄心における非磁性体の位置によって最大推進力が発生する位置が定まるので、最大推進力が発生する位置を任意に設定することができるという特有の効果を奏する。
【００４７】
請求項２の発明は、請求項１の効果に加え、非磁性体として特別の部材を採用する場合と比較して構成を簡素化できるという特有の効果を奏する。
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の効果に加え、可動鉄心における非磁性体の位置によって設定された最大推進力が発生する位置を電流の位相により変化させることができるという特有の効果を奏する。
【００４８】
請求項４の発明は、リニアコンプレッサの効率を高めることができ、また、堅牢な構成を実現できるという特有の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のリニア振動アクチュエータの一実施態様を示す概略縦断面図である。
【図２】リニア振動アクチュエータにおける磁石推進力の発生を説明する概略図である。
【図３】リニア振動アクチュエータにおけるリラクタンス推進力の発生を説明する概略図である。
【図４】リニア振動アクチュエータにおけるリラクタンス推進力の発生を説明する概略図である。
【図５】可動鉄心内の非磁性体の位置を説明する概略図である。
【図６】θｌ＝０、コイル電流位相を３０度に設定した場合の磁石推進力、リラクタンス推進力、およびトータル推進力を示す図である。
【図７】θｌ＝０、コイル電流位相を６０度に設定した場合の磁石推進力、リラクタンス推進力、およびトータル推進力を示す図である。
【図８】θｌ＝π、コイル電流位相を−３０度に設定した場合の磁石推進力、リラクタンス推進力、およびトータル推進力を示す図である。
【図９】θｌ＝π、コイル電流位相を−６０度に設定した場合の磁石推進力、リラクタンス推進力、およびトータル推進力を示す図である。
【図１０】リニア振動アクチュエータを制御するための装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図１１】リニア振動アクチュエータを制御するための処理の一例を説明するフローチャートである。
【図１２】リニア振動アクチュエータを制御するための装置の構成の他の例を示すブロック図である。
【図１３】リニア振動アクチュエータを制御するための処理の他の例を説明するフローチャートである。
【図１４】図１の構成のリニア振動アクチュエータが組み込まれたリニアコンプレッサの構成を示す縦断面図である。
【図１５】図１４のリニアコンプレッサの圧縮機荷重−変位特性を示す図である。
【図１６】磁石可動型のリニア振動アクチュエータの構成を示す概略図である。
【図１７】コイル可動型のリニア振動アクチュエータの構成を示す概略図である。
【図１８】鉄心可動型のリニア振動アクチュエータの構成を示す概略図である。
【図１９】回転形モータの入力電力に対する出力と損失との関係を示す図である。
【図２０】直線運動を行うリニア形モータの入力電力に対する出力と損失との関係を示す図である。
【図２１】往復運動を行うリニア形モータの入力電力に対する出力と損失との関係を示す図である。
【符号の説明】
１ コイル ２ 固定子鉄心
３ 永久磁石 ４ 可動鉄心
４ａ 溝 ５ 非磁性体
１３ リニア振動アクチュエータ ２１ 位相制御部
Claims (4)
- コイル（１）を含む固定子鉄心（２）と、固定子鉄心（２）に対して所定の間隔を存して軸方向に往復動可能な永久磁石（３）と、永久磁石（３）と一体的に設けられた可動鉄心（４）とを含み、永久磁石（３）と可動鉄心（４）とは永久磁石（３）が固定子鉄心（２）側に位置するように一体化されており、可動鉄心（４）は、鉄心内部の磁束が一様になることを阻止するための非磁性体（５）を所定位置に含んでいることを特徴とするリニア振動アクチュエータ。
- 可動鉄心（４）は、所定位置に凹所（４ａ）を有しているとともに、凹所（４ａ）に存在する空気が非磁性体（５）として機能するものである請求項１に記載のリニア振動アクチュエータ。
- コイル（１）に供給する電流の位相を、アクチュエータにより駆動される被駆動体が要求する駆動力−変位量特性に適合する駆動力を発生させるべく、可動鉄心（４）内の非磁性体（５）の位置に応じて、Ｆ＝Φａ×Ｉａ＋（Ｌｍａｘ−Ｌｍｉｎ）／２×Ｉａ２×ｓｉｎ｛（ｘ×π）／（２Ｌ）＋θ１｝（ただし、Φａは永久磁石（３）の鎖交磁束、Ｉａはコイル電流、Ｌｍａｘはインダクタンスの最大値、Ｌｍｉｎはインダクタンスの最小値、Ｌはインダクタンスが最小の位置とインダクタンスが最大の位置との距離、ｘは変位、θｌは電流位相とインダクタンスが最大の位置との位相差）により算出されるトータル推進力とトータル推進力のピークの発生位置を制御する制御手段（２１）をさらに含む請求項１または請求項２に記載のリニア振動アクチュエータ。
- 駆動源として請求項１から請求項３の何れかのリニア振動アクチュエータ（１３）を採用することを特徴とするリニアコンプレッサ。
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